【摘要】：有機(jī)體系鋰空氣電池具有超高的理論能量密度(3458 Wh?kg-1),未來(lái)在電動(dòng)汽車、移動(dòng)儲(chǔ)能和航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,鋰空氣電池目前仍處于基礎(chǔ)研究階段,存在充放電過(guò)電位高、電池循環(huán)性能差、空氣電極上氧反應(yīng)速率緩慢及負(fù)極鋰枝晶等問(wèn)題,阻礙了其實(shí)用化進(jìn)程。針對(duì)這些問(wèn)題,本論文從電解液添加劑和正極碳材料改性兩方面進(jìn)行研究,以提升鋰空氣電池的性能。對(duì)于電解液添加劑的研究,引入雙功能電解液添加劑碘化鉀(KI),以降低電池的充電過(guò)電位、提高空氣電極的反應(yīng)活性及鋰電極的循環(huán)穩(wěn)定性,電池在限容500 m Ah?g-1下的循環(huán)次數(shù)提升了2倍。一方面,I-可逆的氧化還原反應(yīng)使其可以充當(dāng)液相“氧化還原介體”,有效降低電池的充電極化約0.7 V;結(jié)合SEM、FTIR等分析可知,I-可以促進(jìn)放電產(chǎn)物的氧化分解,抑制空氣電極性能的衰減。另一方面,引入鉀離子添加劑(KTFSI),Li|Li對(duì)稱電池測(cè)試表明K+可以降低鋰電極循環(huán)時(shí)的電壓差約50 m V,循環(huán)壽命也顯著提升;鋰空氣電池的測(cè)試及表征表明,K+可以有效抑制負(fù)極鋰枝晶的產(chǎn)生,改善鋰電極的形貌,減少表面副產(chǎn)物,提升鋰電極的電化學(xué)性能。此外,K+還有利于提升放電中間產(chǎn)物超氧化鋰(Li O2)的溶解度,促進(jìn)Li2O2的液相途徑生成,鋰空氣電池在100 m A?g-1電流密度下的放電容量由3100m Ah?g-1提升至6100 m Ah?g-1。通過(guò)引入添加劑KI,與Li I對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),KI更有利于提升鋰空氣電池的循環(huán)性能。進(jìn)一步與放電過(guò)程的添加劑2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(DBBQ)聯(lián)用,可以顯著提升鋰空氣電池在高比容量下的循環(huán)穩(wěn)定性。對(duì)于碳材料的改性研究,采用BP2000作為鋰空氣電池的正極材料,二苯基二硒(DDS)作為硒源,通過(guò)高溫煅燒向碳材料中摻入非金屬元素硒。對(duì)摻雜工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可知,當(dāng)碳材料與硒源的質(zhì)量比為2:1,且高溫煅燒溫度為1000℃時(shí),可以得到放電性能最佳的硒摻雜的碳材料(Se-P2000)。利用EDS、Raman、XPS等測(cè)試手段對(duì)材料進(jìn)行分析可知,硒原子可以成功的摻入到碳材料中并與之形成C-Se鍵,有利于產(chǎn)生更多的缺陷和活性位點(diǎn),旋轉(zhuǎn)圓盤電極測(cè)試表明硒摻雜顯著提升了碳材料的氧還原性能。進(jìn)一步測(cè)試其在鋰空氣電池中的充放電性能可知,硒摻雜使得電池在100 m A?g-1下的放電容量由2635 m Ah?g-1提升至3868 m Ah?g-1,且放電極化顯著減小了40 m V,循環(huán)性能也有一定程度的提升。通過(guò)對(duì)放電產(chǎn)物的形貌和組分進(jìn)行分析,探究硒摻雜的作用機(jī)制。結(jié)果表明,硒摻雜提高了碳電極的反應(yīng)活性,促進(jìn)了放電產(chǎn)物的液相生成,使得環(huán)狀產(chǎn)物呈現(xiàn)更均勻、密集的分布,同時(shí)減少了Li2CO3等副產(chǎn)物的生成,提升了電池的性能。
【圖文】：

空氣電池的結(jié)構(gòu)氣電池的概念最早于 1976 年由 Littauer 和 Tsai 共同提出[8]，金屬鋰負(fù)極，，空氣正極以及貫穿正負(fù)極的電解質(zhì)。根據(jù)電池種類的不同，鋰空氣電池可以分為水系、全固態(tài)體系、水-有體系四類[9]，如圖 1-1 所示。水系電解液中金屬鋰電極很容易應(yīng)，導(dǎo)致電池的庫(kù)倫效率低、安全性差；全固態(tài)體系鋰空氣在于較大的界面阻抗導(dǎo)致電池的內(nèi)阻很大以及固態(tài)電解質(zhì)中低，電池性能很難提高；水-有機(jī)混合體系電池結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，離子導(dǎo)體穩(wěn)定性較差。K. M. Abraham[10]于 1996 年首次提出電池，采用金屬鋰作為負(fù)極，碳酸酯類有機(jī)溶劑作為電解液金屬鋰電極的腐蝕問(wèn)題，同時(shí)也獲得了較好的放電性能，作明了電池放電產(chǎn)物主要是 Li2O2。后來(lái)，T. Ogasawara 等[11]證空氣電池反應(yīng)的可逆性，因而基于有機(jī)體系鋰空氣電池的反領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

Sun 等[34]人采用多孔納米 MnO 作為硬模板，利用化）制備出了一種納米方形的介孔碳材料，其比表面積僅有 49高達(dá) 3.74 cm3/g，孔徑約為 50-100 nm。與商用炭黑正極首次mAh g-1相比，該碳材料的首次放電容量高達(dá) 26100 mAh g-1。結(jié)構(gòu)的碳材料外，一些一維的碳材料（如碳納米管、納米線空氣電池的正極材料。Yang 等[35]人制備了一種全碳纖維作為放電時(shí)可獲得高達(dá) 2500 Wh/kg 的比能量，作為認(rèn)為獲得如此原因是因?yàn)槌浞掷昧颂疾牧现械目讖浇Y(jié)構(gòu)。碳材料的摻雜改性調(diào)控碳材料的結(jié)構(gòu)外，碳材料本身較緩慢的的氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)定性也影響著電池的性能，尤其是碳正極上在較高電位下發(fā)uce 等[36]證明了碳材料（尤其是疏水性碳材料）在低于 3.5 V（v會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，但當(dāng)充電過(guò)電位高于 3.5 V 時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生解形成 Li2CO3及鋰的羧酸鹽等難以分解的副產(chǎn)物（如圖 1-性能降低。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

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1 張文亮;丘明;來(lái)小康;;儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J];電網(wǎng)技術(shù);2008年07期

本文編號(hào)：2641658